ТОПЛИВОМЕРНО-РАСХОДОМЕРНАЯ СИСТЕМА САМОЛЕТА Российский патент 2002 года по МПК G01F17/00 G01F23/26 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения запаса топлива на борту самолета.

Известно топливоизмерительное устройство транспортного средства, содержащее топливомер с электроемкостными датчиками, входящими в его состав, измеритель массовой плотности топлива, микропроцессор и индикатор запаса топлива. [Патент Российской Федерации 2081398, МКИ G 01 F 13/00, опубл. 1997]. Однако устройство не содержит датчик расхода и потому расход топлива в ней определяется косвенным методом путем статистических оценок изменений показаний топливомера, что приводит к значительной методической погрешности. Ввиду того, что Авиационные Правила предписывают определять количество топлива на борту самолета (так называемый "запас" топлива) с помощью двух независимых методов измерения: с помощью топливомера и с помощью расходомера, указанное устройство неприемлемо для измерения запаса топлива на борту самолета.

Указанный недостаток отсутствует в наиболее близком к предлагаемому изобретению и принятом за прототип устройстве для измерения расхода топлива [Авторское свидетельство СССР 1569559, МКИ G 01 F 9/00, опубл. 1990].

Эта система содержит датчик мгновенного расхода топлива, топливомер с электроемкостными датчиками, входящими в его состав. Система также содержит датчик расхода топлива, интегрирующее устройство, схему вычисления запаса топлива, задатчик количества заправленного топлива, схему ввода поправки и индикатор запаса топлива. Выход интегрирующего устройства соединен с одним из входов схемы вычисления запаса топлива, другой вход которой подключен к задатчику количества заправленного топлива, а первый выход схемы вычисления запаса топлива подсоединен к первому входу схемы ввода поправки.

В известной системе отсутствует методическая погрешность косвенного определения расхода, т.к. расход топлива измеряется непосредственно датчиком мгновенного расхода. Однако в данной системе возникает значительная по величине погрешность измерения суммарного расхода топлива, вызванная накоплением во времени ошибки Δ_q измерения суммарного расхода, т.к. суммарный расход вычисляется путем интегрирования в реальном времени сигнала датчика мгновенного расхода топлива.

Ошибка Δ_q непрерывно возрастает по мере расходования топлива из топливного бака и уже к моменту опорожнения бака на 20...25% достигает величины Δ_q>1%.

Для уменьшения влияния ошибки Δ_q на точность измерения запаса топлива в известной системе использован способ частичной компенсации путем введения поправки к сигналу датчика мгновенного расхода топлива. Указанная поправка представляет собой разность двух физических величин: количества топлива в баке, измеренного с помощью топливомера, и количества топлива в баке, измеренного с помощью датчика расхода.

Поправка вычисляется схемой ввода поправки, на вход которой поступают три измерительных сигнала: сигнал о значении массы Q₀ топлива, заправленного в топливный бак, формируемый задатчиком количества заправленного топлива, сигнал о текущем значении остатка Q* топлива в топливном баке, формируемый топливомером, и сигнал о суммарном расходе топлива из топливного бака, формируемый интегрирующим устройством путем интегрирования в реальном времени сигнала датчика мгновенного расхода топлива.

В результате сравнения трех указанных сигналов в схеме ввода поправки на выходе этой схемы формируется сигнал поправки к показаниям датчика мгновенного расхода топлива, значение которого пропорционально величине ошибки Δ_q. В идеальном случае, при отсутствии погрешностей измерений в сигналах Q₀ и Q*, величина поправки должна быть в точности равной ошибке Δ_q по величине и противоположна ей по знаку, поэтому ошибка Δ_q в этом случае должна быть полностью скомпенсирована поправкой.

Однако в реальном случае значение Q* запаса топлива, измеренного топливомером, содержит значительную по величине погрешность Δ_Q измерения.

Величина Δ_Q складывается из инструментальной погрешности электроемкостных датчиков топливомера и методической погрешности, вызванной разбросом электрофизических параметров топлива, влияющих на точность измерения, и прежде всего - разбросом значений диэлектрической проницаемости - параметра, непосредственно влияющего на точность электроемкостного метода измерения.

Разброс значений диэлектрической проницаемости между различными сортами авиационных топлив достигает величины ±2%.

Т. к. при перелетах дальнемагистральных самолетов дозаправка топливом происходит в различных аэропортах с различными сортами топлив, то топливные баки самолета практически всегда заполнены смесью нескольких сортов топлива, значение диэлектрической проницаемости которой лежит в пределах разброса ±2%. В связи с этим у современных авиационных электроемкостных топливомеров величина суммарной погрешности измерения запаса топлива в нормальных условиях составляет Δ_Q =±2,5% от полной вместимости топливного бака, а в условиях эксплуатации превышает эту величину. Поэтому поправка к показаниям датчика мгновенного расхода топлива, вычисляемая как малая разность трех больших величин (Q₀, Q* и суммарный расход), одна из которых, а именно Q*, измерена со значительной погрешностью Δ_Q, существенно отличается по величине от ошибки Δ_q.
В результате ошибка Δ_q, возникающая в известной системе при измерении суммарного расхода, компенсируется схемой введения поправки лишь в незначительной степени, что приводит к значительной погрешности измерения суммарного расхода и запаса топлива в топливном баке самолета, превышающей величину 2,5% от полной вместимости топливного бака.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача уменьшения погрешности измерения запаса топлива.

Поставленная задача решается тем, что в топливомерно-расходомерной системе самолета, содержащей топливомер, датчик расхода топлива, интегрирующее устройство, схему вычисления запаса топлива, задатчик количества заправленного топлива, схему ввода поправки и индикатор запаса топлива, причем выход интегрирующего устройства соединен с одним из входов схемы вычисления запаса топлива, другой вход которой подключен к задатчику количества заправленного топлива, новым согласно изобретению является то, что в нее дополнительно введены сигнализаторы уровня топлива, блок вычисления удельной поправки и таймер реального времени, число входов которого равно числу сигнализаторов уровня топлива, каждый из входов таймера соединен с одним из сигнализаторов уровня топлива, а выход - с первым входом блока вычисления удельной поправки, второй вход которого подключен к выходу схемы ввода поправки, соединенной своим вторым входом с выходом топливомера, а выход датчика расхода топлива подключен к входу интегрирующего устройства, снабженного дополнительным входом, который соединен с выходом блока вычисления удельной поправки, первый выход схемы вычисления запаса топлива подсоединен ко входу индикатора запаса топлива, а второй выход схемы вычисления запаса топлива подсоединен к первому входу схемы ввода поправки.

Функциональная схема предложенной системы показана на чертеже.

Система содержит топливомер 1 с датчиками 2 количества топлива, установленными в топливном баке 3, в частности, представляющими собой два соединенных параллельно электроемкостных чувствительных элемента. В баке 3, кроме того, расположены сигнализаторы 4 уровня топлива, а в соединенной с баком 3 расходной магистрали 5 установлен датчик 6 расхода топлива. Выход датчика 6 подключен ко входу интегрирующего устройства 7, выход которого соединен с одним из входов схемы 8 вычисления запаса топлива.

Другой вход схемы 8 соединен с задатчиком 9 количества заправленного топлива, а выходы схемы 8 подключены: первый - к индикатору 10 запаса топлива, второй - к первому входу схемы 11 ввода поправки. Второй вход схемы 11 соединен с выходом топливомера 1, а ее выход - со вторым входом блока 12 вычисления удельной поправки, выход которого подключен к дополнительному входу интегрирующего устройства 7. Первый вход блока 12 соединен с выходом таймера 13 реального времени, число входов таймера 13 равно числу сигнализаторов 4 уровня топлива, причем каждый из входов таймера 13 соединен с одним из сигнализаторов 4 уровня.

Система работает следующим образом.

При выработке топлива из топливного бака 3 через расходную магистраль 5 сигнал о расходе Q(t) топлива поступает с выхода датчика 6 расхода топлива на вход интегрирующего устройства 7, где интегрируется в режиме реального времени от момента времени t₀=0 (время запуска двигателя) до текущего момента времени t. В результате интегрирования расхода Q(t) на выходе устройства 7 возникает сигнал о суммарном расходе m_Q топлива:

где Δ(t) - погрешность измерения расхода топлива датчиком 6 в функции времени.

При постоянном расходе топлива указанный интеграл упрощается:

Из последнего выражения следует, что сигнал о суммарном расходе топлива, возникающий на выходе интегрирующего устройства 7, содержит погрешность Δ•t, линейно возрастающую с течением времени t.

С выхода интегрирующего устройства 7 сигнал m_Q поступает на один из входов схемы 8, предназначенной для вычисления запаса топлива, оставшегося в баке 3. На другой вход этой схемы от задатчика 9 поступает сигнал о количестве топлива m₀, залитого в бак 3 при заправке. Вычитая из m₀ m_Q, схема 8 определяет запас топлива m_расх в баке 3, вычисленный на основе измерения расхода топлива:
m_расх=m₀-m_Q
Информация о запасе топлива m_расх поступает с первого выхода схемы 8 на индикатор 10. Однако эта информация содержит погрешность Δ•t измерения запаса топлива. Для уменьшения указанной погрешности блок 12 формирует и выдает на дополнительный вход интегрирующего устройства 7 сигнал о значении удельной поправки δ к сигналу датчика 6 расхода топлива.

Сигнал о значении удельной поправки δ формируется следующим образом.

Информация о запасе топлива m_pacx поступает со второго выхода схемы 8 на первый вход схемы 11 ввода поправки, на второй вход которой с выхода топливомера 1 подается сигнал о массе топлива m_топл в баке 3, измеренной топливомером. В схеме 11 производится формирование сигнала о значении поправки Δ_m, равного разности указанных сигналов:
Δ_m=m_pacx-m_топл=m₀-m_Q-m_топл
При срабатывании первого (верхнего по уровню) сигнализатора 4 на первый вход блока 12 с выхода таймера 13 выдается сигнал о первом промежутке времени Δt₁ = t₁-t₀, где t₁ - время срабатывания первого сигнализатора 4. Кроме того, в момент срабатывания первого сигнализатора 4 блок 12 фиксирует значение первой поправки Δ_m1, поступающее на второй вход блока 12 с выхода схемы 11. В блоке 12 производится формирование первой удельной поправки δ₁: δ₁ = ±Δ_m1/Δt₁, после чего сигнал о вычисленном значении δ₁ инвертируется и непрерывно подается на дополнительный вход интегрирующего устройства 7 в течение следующего промежутка времени Δt₂ = t₂-t₁, где t₂ - время срабатывания второго (по уровню) сигнализатора 4. Значение поправки δ₁ лишь незначительно отличается от значения погрешности Δ₁ измерения расхода топлива на промежутке времени Δt₁: δ₁≈Δ₁, поэтому их разность близка к нулю:
Δ₁-δ₁≈0.
Высокая точность вычисления поправки δ₁ объясняется высокой точностью сигнализаторов 4. Абсолютная погрешность Δ_c срабатывания сигнализаторов уровня, например, терморезисторных равна Δ_c =±1 мм, что составляет для фюзеляжных топливных баков с характерной высотой 500...1000 мм относительную величину всего лишь ±0,2...±0,1%.

Таким образом, в течение промежутка времени Δt_2/ на входы интегрирующего устройства 7 непрерывно поступают два сигнала: первый - о значении расхода топлива (Q±Δ₁) и второй - о значении удельной поправки δ₁. Устройство 7 интегрирует сумму этих сигналов и вырабатывает точную информацию о количестве израсходованного топлива m₁:

поступающую с выхода устройства 7 на вход схемы 8 и с выхода схемы 8 - на вход индикатора 10.

Отсутствие в окончательном результате последнего выражения погрешности Δ•t подтверждает тот факт, что в информации о запасе топлива, поступающей с выхода схемы 8 на индикатор 10 на промежутке времени Δt₂, ошибка измерения суммарного расхода топлива скомпенсирована за счет подачи на вспомогательный вход интегрирующего устройства 7 сигнала о значении удельной поправки δ₁.
Точно так же, как на временном промежутке Δt₂, предложенная система компенсирует погрешность Δ•t на следующем промежутке времени между срабатываниями последующих сигнализаторов уровня.

Тем самым поставленная в предлагаемом изобретении задача уменьшения погрешности измерения запаса топлива (до величины, не превышающей ±1%) решена путем вычисления и подачи на дополнительный вход интегрирующего устройства 7 сигнала о значении удельной поправки, суммируемого с сигналом датчика 6 расхода топлива и компенсирующего нарастающую во времени погрешность измерения суммарного расхода топлива.

Изобретение может быть использовано для измерения запаса топлива на борту самолета. Система содержит топливомер, включающий установленные в топливном баке два соединенных параллельно электроемкостных чувствительных элемента. В баке также расположены сигнализаторы уровня топлива, а в соединенной с баком расходной магистрали установлен датчик расхода топлива. В состав системы, кроме того, входят интегрирующее устройство, схема вычисления запаса топлива, задатчик количества заправленного топлива, индикатор запаса топлива, схема ввода поправки, блок вычисления удельной поправки и таймер реального времени. Изобретение обеспечивает уменьшение погрешности измерения запаса топлива, возникающей в промежутках времени между коррекциями. 1 ил.

Топливомерно-расходомерная система самолета, содержащая топливомер, датчик расхода топлива, интегрирующее устройство, схему вычисления запаса топлива, задатчик количества заправленного топлива, схему ввода поправки и индикатор запаса топлива, причем выход интегрирующего устройства соединен с одним из входов схемы вычисления запаса топлива, другой вход которой подключен к задатчику количества заправленного топлива, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены сигнализаторы уровня топлива, блок вычисления удельной поправки и таймер реального времени, число входов которого равно числу сигнализаторов уровня топлива, каждый из входов таймера соединен с одним из сигнализаторов уровня топлива, а выход - с первым входом блока вычисления удельной поправки, второй вход которого подключен к выходу схемы ввода поправки, соединенной своим вторым входом с выходом топливомера, а выход датчика расхода топлива подключен ко входу интегрирующего устройства, снабженного дополнительным входом, который соединен с выходом блока вычисления удельной поправки, первый выход схемы вычисления запаса топлива подсоединен ко входу индикатора запаса топлива, а второй выход схемы вычисления запаса топлива подсоединен к первому входу схемы ввода поправки.